Modélisation des respirogrammes

Le modèle ASM_N, présenté dans la partie « Matériel et méthodes » (§ 2.5.1.2.1) permet de

modéliser un système contenant deux populations nitrosantes (X

_BA

et X

_SA

) et deux

populations nitratantes (X

_BN

et X

_SN

). Il permet ainsi de différencier les populations des boues

activées et celles de la solution NB. A partir de ce modèle, les processus biologiques en place

dans les respiromètres témoin et de bio-augmentation ont été modélisés. La procédure de

calage utilisée est décrite dans la partie « Matériel et méthodes » (§ 2.5.1.2.2).

Valeurs initiales :

Les ratios oxygène / substrat consommés (OC/N) obtenus se sont avérés plus faibles que la

valeur théorique, comme pour toutes les mesures respirométriques réalisées en boues activées

(cf. § 3.3.3.1). Ainsi, les respirogrammes expérimentaux ne pourront pas être reproduits avec

les quantités de substrat réellement ajoutés à partir des rendements de croissance théoriques

(Y

BA

= Y

SA

= 0.14 g

DCO

/g

N

et Y

BN

= Y

SN

= 0.08 g

DCO

/g

N

). Or, ces rendements théoriques ont

été vérifiés par les ratios OC/N de la solution NB diluée (cf. § 3.3.3.2). Ainsi, les rendements

de croissance théoriques ont été utilisés pour la modélisation et la quantité de substrats

introduit dans les respiromètres modélisés a alors été modifiée en conséquence. L’adaptation

est effectuée uniquement sur l’ammonium, dont la quantité injectée est transformée selon

l’équation 64, et les ajouts de nitrites simulés correspondent à la valeur réellement introduite.

26

,

4

OC

-)

NO2

*

1,06

NH4

*

(4,26

NH4

NH4_{simulation injecté} ^injecté + ^{injecté total}

−

= équation 64

où OC

_total

correspond à l’aire sous la courbe expérimentale.

Les autres paramètres ont été initialement fixés aux valeurs expérimentales lorsque celles-ci

ont pu être obtenues (§ 3.3.4), ou à des valeurs issues de la littérature pour des populations

similaires.

CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref

Les constantes d’affinité pour l’oxygène ne sont pas calées car les mesures ont été réalisées en

fort excès d’oxygène ([O2] >5 mg

O2

/L). Elles sont fixées à 0,1 mg

O2

/L pour les quatre

populations.

Les valeurs utilisées sont reportées avec les résultats de calages dans le Tableau 21.

Résultats :

La Figure 60 présente les respirations respectives correspondant à chaque population des deux

réacteurs obtenues par la modélisation.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 1 2 3 4 5 6 temps h. O U R m g^O 2 .L -1 . j -1

OUR exp (témoin)

OUR exp(BA)

OUR total (témoin)

OUR total (BA)

OUR Xba (témoin)

OUR Xba (BA)

OUR Xsa (BA)

OUR Xbn (BA)

t0

NO2

t1 = 25 min

NH4

Figure 60 : OUR

total

et respiration des différentes populations dans les respiromètres témoin et de

bio-augmentation (BA) modélisés avec le modèle ASM_N.

Le plateau du respirogramme expérimental témoin présente une diminution progressive qui

n’est pas reproduite par la modélisation (Figure 60) car la cause de cette diminution n’a pas

été identifiée, donc pas incluse dans le modèle. Tant que de l’ammonium est présent dans le

milieu, la respiration simulée se maintient au niveau du plateau de respiration maximale et

une légère augmentation est même observée, reflétant la croissance de la biomasse nitrosante.

Les populations X

_BA

et X

_BN

étant identiques dans les deux réacteurs, leurs respirations

maximales sont également identiques au temps initial, mais la diminution de l’ammonium

étant plus rapide dans le réacteur BA, la respiration des X

BA

diminue 45 minutes plus tôt que

dans le réacteur témoin (cf. Figure 60).

L’allure de la courbe expérimentale du réacteur de bio-augmentation semble indiquer qu’un

temps de latence est nécessaire à la population X

SA

avant qu’elle n’atteigne sa vitesse

maximale de nitrosation. Pour modéliser cet effet, un facteur d’accélération de la vitesse de

CemOA

: archive

ouverte

d'Irstea

nitrosation pourrait être inclus dans le modèle, avec un terme exponentiel pour représenter le

temps de latence, telle que proposée par Vanrolleghem et al. (2004).

Cette amélioration du modèle permettrait de reproduire plus fidèlement le respirogramme

expérimental, mais elle ne présente pas un intérêt majeur pour la simulation d’une application

de la solution NB sur site, car le régime auquel serait soumise la biomasse serait alors continu.

La Figure 61 présente les évolutions expérimentales et modélisées des concentrations des

formes solubles d’azote minéral expérimentales et modélisées.

Remarque : les nitrates n’ayant aucun effet sur les cinétiques de réaction, la concentration

initiale en nitrates a été fixée manuellement à la valeur de la première mesure expérimentale

afin de faire correspondre les points initiaux.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 1 2 3 4 5 6 m g^N /L Temps h.

NH4 model (témoin) NO3 model (témoin) NO2 model (témoin) NH4 exp (témoin) NO3 exp (témoin) NO2 exp (témoin) NH4 model (BA) NO3 model (BA) NO2 model (BA) NH4 exp (BA) NO3 exp (BA) NO2 exp (BA)

t0 NO2 t1 = 25 min NH4 t₁ = 25 min NH4

Figure 61: évolution des formes d'azote minéral, mesurées et modélisées, au cours des mesures

respirométriques témoin et de bio-augmentation (BA)

Les paramètres ont été calés sur les données d’OUR ; et la comparaison avec le suivi des

formes solubles d’azote minéral (Figure 61) permet de valider le calage réalisé. Les deux

principaux écarts observés entre la simulation et les données expérimentales sont les suivants :

• les concentrations de NH

₄

mesurées sont supérieures aux valeurs simulées au moment

de l’injection (t

₁

), car la quantité d’ammonium injecté en simulation a été diminuée par

rapport à l’injection réelle.

• la production de nitrates simulée est inférieure à celle mesurée, en raison d’une part de

la plus faible quantité d’ammonium ajoutée en simulation, et d’autre part de la

sous-estimation de l’OUR exogène observé pour les échantillons de boues activées (cf. §

3.3.2.1.3).

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Globalement la corrélation entre la modélisation et les données expérimentales est

satisfaisante.

Le Tableau 20 récapitule la répartition des activités respiratoires, et les activités nitrosantes et

nitratantes mesurées et modélisées.

Tableau 20 : activités et respirations des différentes populations pour les respiromètres témoin et BA

Modélisation Expérimental Unité

OUR

_max

(témoin) 21,9 24,1 mg

_O2

.L

^-1

.h

^-1

OUR

_max

(BA) 30,6 32,0 mg

_O2

.L

^-1

.h

^-1

OUR

_BA-max

17,44 (57%)

^*

- mg

_O2

.L

^-1

.h

^-1

OUR

BN-max

4,69 (15%)

^*

5,0 mg

O2

.L

^-1

.h

^-1

OUR

SA-max

8,09 (26%)

^*

- mg

O2

.L

^-1

.h

^-1

OUR

SN-max

0,39 (1%)

^*

0,36 mg

O2

.L

^-1

.h

^-1

N

Ox

PR (témoin) 5,35 ^6,79 mg

N

.L

^-1

.h

^-1

N

_Ox

PR (BA) 7,65 8,53 mg

_N

.L

^-1

.h

^-1

NtPR (témoin) 4,43 5,32 mg

_N

.L

^-1

.h

^-1

NtPR (BA) 4,81 5,93 mg

_N

.L

^-1

.h

^-1

*pourcentage de l’OUR

max

(réacteur BA)

La sous-estimation des N

_Ox

PR et N

_t

PR est de 10 à 21 %. La respiration des X

_SA

atteint

initialement 8,09 mg

O2

.L

^-1

.h

^-1

(194 mg

O2

.L

^-1

.j

^-1

), ce qui représente 26 % de l’OUR

max

atteinte

par les boues bio-augmentées (dans un milieu à 20 mg

N-NH4

/L). La respiration des X

SA

diminue cependant plus rapidement que celle des X

BA

(cf. Figure 60) en raison de sa plus

faible affinité pour l’ammonium, dont la concentration décroît à mesure de sa consommation

par ces deux populations.

L’accumulation des nitrites est plus importante dans le réacteur de bio-augmentation que dans

le témoin (Figure 61), car les vitesses de nitratation (consommation des nitrites) sont presque

identiques alors que la vitesse de nitrosation (production de nitrites) est augmentée dans le

réacteur BA.

Le Tableau 21 récapitule les variables et les paramètres initiaux ainsi que les valeurs obtenues

après calage.

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Tableau 21: concentrations des biomasses et valeurs des paramètres cinétiques et stœchiométriques

utilisés pour la modélisation des respiromètres témoins et de bio-augmentation.

Paramètre-Variable Valeur initiale Valeur calée _Unité

[X

_BA

] - 31,6 mg

_DCO

/L

[X

_BN

] - 17,2 mg

_DCO

/L

[X

_SA

] - 4,01 mg

_DCO

/L

[X

SN

] - 0,71 mg

DCO

/L

µ

BA

0,59

^*

- j

^-1

µ

BN

0,50 - j

^-1

µ

_SA

2,09 - j

^-1

µ

_SA

1,00

^$

-

K

_NHB

0,10

^#

0,35 g

_N-NH3

/m

³

K

_NOB

0,10

^#

0,03 g

_N-NO2

/m

³

K

_NHS

3,67

^*

3,32 g

_N-NH3

/m

³

K

_NOS

0,41

^$

0,41 g

_N-NO2

/m

³

Y

BA

– Y

SA

0,14 - g

DCO

/g

N

Y

BN

– Y

SN

0,08 - g

DCO

/g

N

* : Valeur expérimentale, cf. § 4.3.4

# : Valeur standard de modélisation (Choubert et al. 2005, Marquot 2006)

: Kindaichi et al. (2006)

$ : Prosser (1989)

Les boues activées utilisées pour cette expérience présentaient une concentration en boues de

4162 mg

DCO

/L. Les populations nitrosantes et nitratantes des boues activées (X

BA

et X

BN

)

obtenues par calage représentent donc 0,8 et 0,4 % de la biomasse totale respectivement. Ces

fractions sont très faibles, mais correspondent aux fractions mesurées par marquage FISH

([X

BA

] = 0,5 - 3,4 % et [X

BN

] = 0,5 - 3,0 %., cf. § 3.2.2.1). Les populations de la solution NB

obtenues ne sont pas représentatives, car le taux de croissance a été fixé

estimées par modélisation correspondent à [X

SA

] =19,8 mg

DCO

/L et [X

SN

] = 3,6 mg

DCO

/L, soit

7,7 et 2,6 % respectivement de la valeur estimée par la mesure de DCO et par marquage FISH

([X

SA

] = 256 mg

DCO

/L et [X

SN

] = 135 mg

DCO

/L, cf. § 3.2.2.4).

La constante d’affinité pour l’ammonium de la population nitrosante des boues activées (K

_NHB

= 0,35 mg

N-NH4

/L) est supérieure à la valeur standard de la modélisation (valeur initiale). En

revanche, elle est de l’ordre de grandeur des valeurs reportées dans la littérature pour le genre

Nitrosomonas oligotropha : 0,07 – 1,05 (cf. Tableau 2 page 48 dans la partie « Synthèse

bibliographique »). Les points de la fin de la nitrosation totale sont correctement reproduits,

mais l’incertitude sur la valeur réelle de la vitesse de nitrosation (sous-estimée en raison de la

nitrification endogène) ne permet pas de valider cette valeur.

CemOA

: archive

ouverte

d'Irstea

La constante d’affinité pour les nitrites de la population nitratante des boues activées (K

NOB

=

0,03 mg

N-NO2

/L) semble être sous-estimée. En effet, la fin de la nitratation expérimentale est

plus lente que celle simulée. Cependant, cet écart n’est observé que sur les deux points finaux

des respirogrammes, et la sous-estimation de ce paramètre aurait un impact très modéré sur la

vitesse simulée de nitratation des boues. Celle-ci est maximale lorsque la concentration en

nitrites s’élève légèrement, mais elle est généralement limitée par la vitesse de nitrosation

(production de nitrites) lors du fonctionnement normal d’une station d’épuration à très faible

charge. Les valeurs reportées dans la littérature pour cette constante sont également plus

élevées (> 0,11 mg

_O2

/L, cf. Tableau 3 page 55 dans la partie « Synthèse bibliographique »).

La constante d’affinité pour l’ammonium de la population nitrosante de la solution NB (K

_NHS

= 3,32 mg

_N-NH4

/L) est similaire à la valeur mesurée directement pour le même échantillon (C)

de solution NB diluée dans des eaux de sortie filtrées (K

_NHS

= 3, 35 mg

_N-NH4

/L ; cf. Tableau

18 p. 175). En revanche, la constante d’affinité pour les nitrites de la population nitratante de

la solution NB n’a pas été modifiée de sa valeur initiale (K

_NOS

= 0,41 mg

_N-NO2

/L), mais ce

paramètre n’est pas identifiable car la vitesse de nitratation de cette population est trop faible,

et que ses variations ne sont pas détectables.

Dans le document Bio-augmentation de l'activité nitrifiante des boues activées (Page 184-189)